奈米建築師—有序奈米材料

奈米建築師—有序奈米材料(Nano Architect: Ordered Nano Materials)
國立臺灣大學環境工程研究生 游得君

近十年來，環境保護的議題越來越受到大家的重視，由於高度工業化發展所造成的環境污染問題，專家學者不斷再開發新的技術可以更有效的去除污染物。就在這個時候奈米材料的出現，讓人眼睛為之一亮，因為可以利用不同的方法來控制材料孔洞的大小和排列方式，來改變及提升它的物理化學特性，讓特定的原子、分子、離子結合在孔洞材料的表面，甚至深入到材料內部，此性質能被廣泛應用在環境上污染物的去除。

根據國際純化學和應用化學聯合會 (IUPAC) 的分類，利用孔徑大小的不同將材料分成三類，微孔 (micropores) 為孔徑 < 2 nm 的材料；中孔 (mesopores) 為孔徑介於 2 ~ 50 nm 之間的材料；巨孔 (macropores) 為 > 50 nm的材料（圖一）。

圖一、微孔、中孔、巨孔示意圖。（本文作者游得君繪製）

有序奈米材料的製備方法分成兩種，一種為軟板法，另一種為硬板法，下面為大家介紹兩種的方法的原理及步驟：

1. 軟板法：分為自組裝合成法、真液態晶體模板合成法

1. 自組裝合成法 (self-assembly)：界面活性劑與無機物種藉由庫倫力、共價鍵、氫鍵相互鍵結作用，為了平衡界面活性劑及無機物種的表面電荷密度，它們會自發性的重新有序的排列組合，在最低耗能情況下，形成相態分離。常見的作法為利用酚醛樹酯當成碳的前驅物質，加入界面活性劑 F127，經由熱聚合方式 (100-140 °C)，形成堅固的網格結構，接著在通有氮氣的高溫爐內鍛燒 (900-1400 °C) 進行碳化，過程中藉由溶劑萃取來協助氧化作用，使界面活性劑模板被移除，形成有序中孔材料。
2. 真液態晶體模板合成法(true liquid-crystal templating)：藉由高濃度的界面活性劑來製成真或半液態微胞模板，再摻入無機的前驅物進行縮合反應，將微胞模板固定在無機的前驅物之間，形成類似陶瓷的結構，最後將微胞模板移除，形成有序中孔材料。
   

   圖二、軟板法製備流程圖。（本文作者游得君繪製）

2. 硬板法：將含矽的孔洞材料當成模板，加入前趨物填充在模板的孔洞中，整個製造過程類似傳統的鑄造方法，只是在奈米的尺度下進行，最後將模板移除，形成有序中孔材料。常用的含矽模板為 SBA-15 或 MCM48，移除模板的溶劑則使用 NaOH 或 HF。

圖三、硬板法製備流程圖。（本文作者游得君繪製）

有序奈米材料藉由將空氣中的污染物吸附及催化，達到去除有機和無機污染物的效除，達到水質淨化的功用。我們可以針對想要解決的環境污染問題，來挑選適合的原料，建築出符合需求的奈米材料。

參考文獻

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